Glicocalix: donde el individuo comprende que no está solo

Más allá de los proteoglucanos y las glucoproteínas

Cuando se explica bioquímica a alumnos de ciencias de la salud, al final del capítulo de las proteínas, debemos estudiar el glicocalix. Es un tanto aburrido porque su diversidad hace difícil sintetizar lo que supone el glicocalix en la biología. Es sencillo hablar de proteínas glomerulares y proteínas fibrosas, pero el temario se vuelve espeso cuando tenemos que hablar de las proteínas compuestas que se conjugan con azúcares. La complejidad de este tema radica en que no se conoce bien y por lo tanto, no se puede explicar con pasión.

Proteoglucanos: formados por glucosa, ácido urónico y proteína. Hay cinco proteoglicanos solubles presentes en el glicocálix: sulfato de heparán, sulfato de condroitina, sulfato de dermatano, sulfato de queratán y acido hialurónico. En mis clases digo que su función principal es la lubricación... para proteger a las membranas de la fricción... una explicación pobre e inexacta. Cosas de tener un temario muy extenso y poco tiempo (excusas)

Glucoproteínas: formadas por azúcares y proteínas. Por ejemplo, las mucinas salivales; en la sangre, la protrombina y las inmunoglobulinas; en las hormonas, las gonadotrópicas, y algunas ribonucleasas. La explicación que doy en clase es que los azúcares sirven como código de barras para que la célula sepa a donde mandar las proteínas y también que sirven para que el sistema inmune reconozca tejidos u órganos dependiendo de los "códigos de barras de azucar" que tengan las proteínas que los constituyen (una explicación a brocha gorda)

Engolosinados con el ADN y las proteínas hemos dejado a los azúcares de lado

Engolosinados con el ADN y las proteínas, los científicos hemos dejado a los azúcares de lado, debido a que los azúcares son la última frontera en biología. Lo que se conoce de azúcares está a años luz de lo que sabemos del ADN o de las proteínas. Es relativamente fácil trabajar con las proteínas o el ADN. Las técnicas están bien establecidas. Ayuda mucho el hecho que las proteínas son aminoácidos traducidos a partir de los tripletes de ADN. Así, si modificamos el ADN podemos producir cambios en las proteínas y eso nos ayuda a entender su función. No sucede lo mismo con los azúcares. Es difícil producir cambios en su estructura. En ciencia nos hemos limitado a inactivar las enzimas encargadas de que un azúcar se incorpore a una estructura mayor. Digamos que los biólogos moleculares han estado engolosinados trabajando con ADN y proteínas y han dejado los azúcares de lado.

Lo hermoso del glicocalix es que además de las funciones obvias de lubricación, de permitir un espacio para mantener la estructura de la célula o los órganos o para organizar el agua y los nutrientes es que se trata de un código de información ¿Alguien ha dicho código? Cuando hablamos de códigos atraemos a personas muy inteligentes a los que les gustan los retos. De repente lo aburrido se vuelve atractivo. Hoy en día, biólogos moleculares, de sistemas y computacionales están estudiando los códigos de azúcares, lo que se ha venido llamando el glucidoma, para comprender un nuevo lenguaje.

Y como siempre, el origen está en las bacterias

En las bacterias más primitivas, las arqueobacterias, además de la membrana plasmática, en el exterior tienen una pared celular constituídas de capas S de glucoproteínas, pseudopeptidoglicano o polisacáridos. En las eubacterias, la pared celular se compone de peptidoglicano que actúa como una malla que evita que la presión osmótica interna de la bacteria descomponga la membrana plasmática. Estas paredes celulares son estructuras organizadas, con límites definidos. Además, pueden tener un glicocalix que no tiene límites definidos y se deforma con facilidad. Además, pueden exudar materiales poliméricos para crear biopelículas. 

material exudado polimérico extracelular compuesto por Las proteínas y carbohidratos producidos por las bacterias en 1 la pared celular, 2  el glicocalix o 3 la biopelícula (biofilm) son un material exudado polimérico extracelular. Este material también está producido por células eucariotas las epiteliales de las superficies mucosas. Fuente

La primera vez que la humanidad se dio cuenta que nuestra herencia estaba escrita en el ADN fue en 1944, precisamente estudiando el glicocalix de Streptococcus pneumoniae. Recientemente, hemos descubierto el primer sistema de memoria colectiva estudiando las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa. De esa manera, estamos descubriendo que ese glicocalix es algo más que una película mucosa de glucoproteínas. 

Las propiedades del glicocalix, que se estudian en las células y tejidos humanos, se exhiben, por tanto, en bacterias y en comunidades de bacterias como las biopelículas. El glicocalix es ese espacio de glucoproteínas y glucolípidos que sirve para mantener hidratadas a las células, que canaliza los nutrientes, que sirve como una especie de columna vertebral mucosa para el soporte de las membranas, contribuye al reconocimiento, comunicación y adhesión entre células. Los distintos tipos de glicocalix sirven también para identificar a una comunidad de células y así diferenciar lo propio de lo ajeno.

Las bacterias surgen hace 4000 millones de años y los seres pluricelulares, como nosotros, aparecen hace solo 1000 millones de años. Las tres cuartas partes del tiempo de evolución del glicocalix se dio exclusivamente en bacterias protozoos. Ese mecanismo de adhesión y reconocimiento entre células, con todo lo que ello implica: memoria, comportamiento social, diferenciar lo propio de lo ajeno, estaba ya listo antes de la aparición de organismos pluricelulares. En este momento, el glicocalix sirvió para guiar el movimiento de las células que empezaban a dividirse en linajes para que se agrupasen en tejidos.

Hoy en día, la medicina está comprobando que incorporar al glicocalix en nuestro mapa conceptual del cuerpo humano es imprescindible para entender múltiples procesos: la inmunidad de la infección, como defendernos del cancer, las enfermedades cardiovasculares, la compatibilidad de los transplantes o los defectos en el desarrollo embrionario.

Esta entrada ha servido de base para el prólogo de este libro

La penicilina hace que las bacterias exploten

En las bacterias, o también en las células de las raíces de las plantas, la concentración de sales en su interior hace que su presión sea muy alta. En realidad, las bacterias son como balones hinchados a presión ¿Cómo se origina esta presión?

 

Cuando existen más sales en el interior de la célula que fuera, o otras sustancias que tengan una carga eléctrica, lo que hacen estos solutos es atrapar agua. El agua es como un imán, el oxígeno tiene carga negativa y los hidrógenos del agua carga positiva. Por esa razón si hay sal en el interior de la célula, la sal NaCl se disocia en Na+ y Cl-. El Na+ va a "atrapar" al oxígeno del agua. El Cl- va a atrapar los H del agua. Este agua es un "agua seca", por eso motivo si bebemos agua con sal cuando tenemos sed ese agua atrapada no nos quita la sed, porque no la podemos utilizar porque está inmovilizada pegada eléctricamente a las sales.

Como en el interior de las células el agua está atrapada entonces el agua líquida, la que no está unida a sales, entra para compensar en el interior de la célula. Es como si, con una bomba de bicicleta introdujésemos aire en la llanta. De esa manera el agua entra en la célula y aumenta su presión interior. Es lo que técnicamente se llama presión osmótica.

, la concentración intracelular de solutos, osmóticamente activos es muy alta, lo que genera una presión externa sobre la membrana citoplásmica. Para evitar que su membrana plasmática se rompa, las bacterias se rodearon de una pared celular. La presión resultante sobre esta pared recibe el nombre de presión de turgor, cuyo control por parte de la célula es muy cuidadoso pues en ello le va su supervivencia. Este control exige a la célula poseer una serie de mecanismos de respuesta que permitan contrarrestar la presión osmótica externa (sujeta a modificaciones).

El turgor es como se denomina a la presión interna de la célula. Las Gram-negativas tienen un turgor de entre 0,8 y 5 atm. y para las Gram-positivas entre 15 y 25 atm. ¿Sabéis que significa una presión de 25 atmósferas? es la presión que tienes en el mar a 250 metros de profundidad. Esa es la presión máxima que resisten muchos de los submarinos actuales.

Las membranas celulares no aguantan mucha presión porque los fosfolípidos de los que están constituídas no están unidos entre si. Son como adoquines de una carretera. Si hay presión saldrían despedidos.

¿Cómo hacen las bacterias para no reventar con su presión interna?

Tienen una malla que rodea la membrana plasmática para que no exploten. La malla es mucho mayor en bacterias Gram positivas, por eso tienen mayor turgor.

Pared celular de bacteria Gram negativas. Entre la membrana plasmática interna y la externa (ambas en azul) se encuentra una fina capa de péptido glicano (marrón claro)

La pared celular de las bacterias Gram positivas tienen una capa de péptidoglicano grande. Esta capa se une a la membrana plasmática (en azul) por medio de un polímero llamado ácido teicoico.

Esta malla tiene que estar entrelazada. La penicilina evita que la malla se entrelace. Cuando la bacteria crece empieza a formar nueva malla de péptidoglicano, pero si hay penicilina en el medio, la malla no se puede entrecruzar y la presión interna, turgor, hace que la bacteria explote

En el video a la izquierda tenemos bacterias E. coli creciendo en presencia de penicilina. Se puede observar claramente como las bacterias, a medida que crecen y su nueva malla no se entrecruza, explotan. A la derecha tenemos bacterias creciendo en ausencia de antibiótico

Los antibióticos sólo deben de matar bacterias

No pueden matar otro tipo de células, como las humanas, con núcleo, porque sino también nos matarían a nosotros. Es lo que en la jerga se llaman dianas. Las dianas contra las que preparar nuevos antibióticos son limitadas. 

Básicamente hay tres grandes grupos de antibióticos que atacan a tres elementos moleculares presentes en las bacterias y ausentes en la célula eucariótica (las que tienen núcleo como las células humanas). Se trata del peptidoglicano, que es atacado por las penicilinas, carbapenémicos y cefalosporinas; de las enzimas que enrrollan y desenrrollan el cromosoma circular de las bacterias, estas enzimas son inhibidas por las fluoroquinolonas y finalmente el ribosoma bacteriano que es menor al eucariota y que son inhibidos por macrólidos, aminoglucósidos y tetraciclinas

Hay que inactivar o destruir aquellas moléculas que estén presentes en todas las bacterias pero no en las células humanas. Esto es difícil porque las bacterias y las células humanas tienen una bioquímica parecida. De hecho ahora sabemos que las células humanas proceden de la unión de bacterias ocurridas en el periodo Precámbrico. 

A la izquierda tenemos E. coli creciendo en presencia de penicilina. A la derecha tenemos la misma bacteria creciendo sin penicilina por lo que no va a explotar y no va a parar de dividirse.

Veamos que ocurre con la penicilina, el antibiótico más famoso. La penicilina ataca la capa de peptidoglicano de las bacterias. Las bacterias tienen capa de peptidoglicano y nuestras células no. Por eso es tan buen antibiótico, porque las mata y es inocuo para nosotros. Las bacterias tienen esa capa que no es otra cosa que una malla que evita que estallen. Las bacterias están a presión como las ruedas. Las células humanas tienen esqueleto celular, algo así como las tiendas de campaña de los campings, por eso no necesitan estar a presión. Cuando en las bacterias esta capa de peptidoglicano se relaja: BUM! estallan.

Bacterias explotando por la penicilina: jornada de ciencia en la calle

El autor del blog entre la medusa Luisa y el drácula Xurxo Mariño.

El pasado sábado la Asociación Galega de Comunicación de Cultura Científica é Tecnolóxica AGC CCT (Sí como podéis ver las siglas son dos tripletes, los correspondientes a la serina y a la prolina) organizó dos horas de charlas y talleres en la plaza del padre Feijoo de Ourense. Lo pasamos bien, tuvimos la oportunidad de conocer a divulgadores que no conocíamos y tuvimos público ¿Qué más se puede pedir?.

Mi charla de 10 minutos, que hice dos veces, iba sobre qué es una bacteria, qué es un antibiótico y cómo actúa. Para ello llevé una tienda iglú de Decathlon que me sirvió de metáfora de una célula eucariota.



Como metáforas sirvieron muy bien a mis propósitos. Las bacterias al igual que los globos son sacos a presión. Dado que están a presión necesitan una malla externa que mantenga su forma. Esa malla se llama capa de peptidoglicano. Las células eucariotas, es decir, las de los humanos, animales y plantas son bastante más grande. La relación entre un globo y una tienda de cuatro plazas es muy acertada. La tienda de campaña no tiene presión interna y al igual que las células eucariotas tiene un armazón, o citoesqueleto en el caso de las céluas, que mantiene la forma de la célula. Obviamente estas células tan grandes no tienen necesidad de una capa externa en forma de malla como la del peptidoglicano de las células. Los antibióticos atacan aquellas moléculas que están presentes en las bacterias y no en nuestras células. Por eso son tan buenos medicamentos, porque dañán las bacterias pero no a nuestras células. En el caso del antibiótico más conocido: la penicilina, ataca a las uniones del peptidoglicano. Cuando la bacteria crece la capa de peptidoglicano se estira y se añaden nuevas hebras para tupir suficientemente la red. La penicilina se une a las hebras impidiendo que se entrelacen en la malla. De esta manera la malla se hace muy endeble y la bacteria acaba explotando como se puede ver en este vídeo.